操作系统原理及应用(Linux)(第二版)第5章 文件管理

第五章文件管理本章学习目标•文件的目录结构•文件的按名存取•文件和目录的主要操作•文件存储空间管理•Linux文件的使用第五章文件管理1第五章文件管理教学内容5.1文件管理概述5.2文件的物理结构5.3文件的目录管理5.4文件存储空间的管理5.5文件共享与安全性5.7Linux文件系统本章小结第五章文件管理25.1文件管理概述5.1.1文件及其分类1.文件的概念文件是具有符号名而且在逻辑上具有完整意义的信息项的有序序列。–数据项:是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，即原子数据，又称为数据元素或字段。–记录:记录是一组相关数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。–文件是相关记录的集合:它通常存放在外存上，可以作为一个独立的单位被存放和实施相应的操作。第五章文件管理35.1文件管理概述文件具有文件类型、文件长度、文件的物理位置、文件的存取权限、文件的建立及修改日期等属性。2.文件类型–按文件的数据形式分类•源文件•目标文件•可执行文件–按用途分类•系统文件••用户文件第五章文件管理45.1文件管理概述–按存取权限分类•只读文件•读写文件•可执行文件–按保存时间分类•临时文件•档案文件•永久文件第五章文件管理55.1文件管理概述–按对文件管理的方式分类：•普通文件•目录文件•特别文件第五章文件管理65.1文件管理概述5.1.2文件系统及其功能所谓文件系统，是指操作系统系统中实现对文件的组织、管理和存取的一组系统程序，它实现对文件的共享和保护，方便用户“按名存取”。1．文件系统的结构–对象及其属性–对对象操纵和管理的软件集合–文件系统的接口第五章文件管理75.1文件管理概述2．文件系统的功能–文件及目录的管理。如打开、关闭、读、写等。（提供有关文件自身的服务。如文件共享机制、文件的安全性等。–文件存储空间的管理。如分配和释放。主要针对可改写的外存如磁盘。–提供用户接口。为方便用户使用文件系统所提供的服务，称为接口。文件系统通常向用户提供两种类型的接口：命令接口和程序接口。不同的操作系统提供不同类型的接口，不同的应用程序往往使用不同的接口。第五章文件管理85.1文件管理概述5.1.3文件的结构文件的逻辑结构是用户可见的结构即从用户的角度所观察的文件的面貌。按文件的逻辑结构分，将文件分为有结构文件和无结构文件。1．有结构文件又称为记录式文件，它把文件内的信息划分为多个记录，用户以记录为单位来组织信息，即在逻辑上可被看成是一组连续顺序的记录的集合。第五章文件管理95.2文件的结构–定长记录文件:是指文件中所有记录的长度都相同。文件的长度可用记录的数目来表示。–不定长记录文件:是指文件中个记录的长度不相同。如姓名、家庭住址、性别等，有长有短。在处理之前每个记录的长度是已知的。2．无结构文件又称为字符流式文件，是由字符序列组成的文件，其文件内部不再划分记录，文件长度直接按字节来计算。如大量的源程序、可执行文件、库函数等都是无结构文件形式。在Linux系统中，所有的文件都被看作是流式文件，系统不对文件进行格式处理。第五章文件管理105.2文件的结构3．文件存取方式文件存取方式是指用户对文件的逻辑存取方式，是由文件的性质和用户使用文件的情况决定的。–顺序存取方式:按照文件的逻辑地址依次存取。–随机存取方式:按照记录的编号或地址来存取文件中的任一记录。–按键存取方式：按逻辑记录中的某个数据项值（称为关键字）作为索引而进行存取。第五章文件管理115.2文件的物理结构文件的物理结构是指文件在外部存储器上的存储方式，以及它与文件逻辑结构之间的对应关系，即文件的存储结构。在外存上如何存放文件，主要与下述两个因素有关：–检索速度不同的文件物理结构将导致产生不同的检索速度。–存储介质选哪种存储介质与用户对文件存取方式的要求有关。5.2文件的物理结构5.2.1连续文件结构第五章文件管理1336起始物理块物理块数36373839物理块号逻辑块号01235.2文件的物理结构连续文件的主要优点如下：（1）顺序访问容易。（2）顺序访问速度快。但连续文件也存在以下缺点：（1）要求建立文件时就确定它的长度，依此来分配存储空间，往往难以实现；（2）不利于文件长度的动态增加；（3）在反复删除记录后，易产生碎片，导致外存空间利用率低。第五章文件管理145.2文件的物理结构5.2.2链接文件结构（DOS例）把一个逻辑上连续的文件离散存放在不连续的物理块中，为了表示其对应的逻辑块次序，对各物理块设置一个指针（称为连接字），指向下一个逻辑块对应的物理块，从而使得存放同一文件的物理块链接成一个串联队列，这样形成的物理文件称为串联文件，又称为链接文件。串联文件的优点是：（1）支持离散分配，因而消除了碎片，存储空间的利用率提高了；（2）能实现按需分配且无需事先知道文件长度，支持文件的动态增长，并方便了文件增、删、改。第五章文件管理155.2文件的物理结构（1）隐式链接第五章文件管理16文件说明起始块号30物理块号逻辑块号0213011621229163NULL295.2文件的物理结构（2）显式链接第五章文件管理173物理块号FCB01234512055.2文件的物理结构MS-DOS的文件物理结构:文件控制块F25文件控制块F18401235678910文件分配表10EOF49EOF7第五章文件管理185.2文件的物理结构5.2.3索引文件结构（Linux例）索引表指针文件说明索引块指针0123逻辑块号物理块号索引表索引块指针NULL第五章文件管理195.2文件的物理结构索引文件克服了连续文件和串联文件的不足，它既能方便迅速地实现随机存取，又能满足文件动态增长的需要。由于它的检索速度较快，所以主要用于对信息处理及时性要求较高的场合，但是增加了索引表带来的存储空间开销。在存取文件时，需要先取出索引表，然后再查表，得到物理块号，这样增加了存取时对存储器的访问次数，降低了文件的存取速度，加重了输入输出的负担。第五章文件管理205.2文件的物理结构多重索引文件结构一级索引表二级索引表181235161812352861393828613970168638索引号012255第五章文件管理215.2文件的物理结构Linux的混合索引结构索引结点物理块…一次间接二次间接三次间接直接块Addr[0]Addr[1]Addr[12]Addr[13]Addr[14]……………5.2文件的物理结构1．寻址方式（1）直接寻址方式addr[0]---addr[11]共12项（2）一次间接寻址方式addr[12]（3）二次间接寻址方式addr[13]（4）三次间接寻址方式addr[14]第五章文件管理235.2文件的物理结构2．地址转换（1）将字节偏移量转换为文件的逻辑块号其转换方式为：将字节偏移量除以盘块大小的字节数，其商为文件逻辑块号，余数为块内位移量。（2）将文件逻辑块号转换为物理块号根据逻辑块号可以求出对应的文件地址是直接地址还是间接地址，然后采用不同的方法进行转换。第五章文件管理245.3文件目录管理文件目录是查看、读取外存中所存放文件而采用的数据结构，用于文件描述和文件控制，实现按名存取和文件共享与保护，随文件的建立而创建，随文件的删除而消亡。在很多操作系统中，对目录采用文件的方式进行管理。第五章文件管理255.3文件目录管理5.3.1文件控制块和索引结点1．文件控制块为了便于对文件进行控制和管理，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，这种数据结构称为文件控制块（FCB），文件与文件控制块一一对应。文件控制块的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个文件目录项。完全由目录项构成的文件称为目录文件。文件控制块通常由文件的基本信息、存取控制信息、文件使用信息组成。第五章文件管理265.3文件目录管理在MS-DOS系统中的文件控制块的长度为32个字节。它含有：文件名及文件扩展名共11个字节、文件所在的首块号、文件属性、文件大小及文件建立和修改的日期等。文件名扩展名属性保留首块号日期时间大小MS-DOS的文件控制块第五章文件管理275.3文件目录管理2．索引结点（1）索引结点的引入当文件很多时，文件目录可能需要占用大量的盘块。在有些系统中，便采用了文件名与文件描述信息分开的办法，即把文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构，简称为i结点。第五章文件管理285.3文件目录管理（2）磁盘索引结点是指存放在磁盘上的索引结点。每个文件有惟一的一个磁盘索引结点。（3）内存索引结点是指存放在内存的索引结点。当文件打开时，要将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中，以便于以后使用。第五章文件管理295.3文件目录管理5.3.2文件目录结构1．一级目录结构优点：（1）结构简单，通过管理其目录文件，便可实现文件信息的管理。（2）实现按名存取。同时一级目录结构具有以下缺点：（1）文件多时，目录检索时间长；（2）有命名冲突。简单的文件目录结构中，文件名和文件实体之间存在着一一对应关系，即它不允许两个文件具有相同的名字。在多道程序系统中，尤其是多用户的分时系统中，重名是很难避免的，这就很难准确地找到用户所需要的文件（3）不便于实现文件共享。第五章文件管理305.3文件目录管理2．二级目录结构二级目录结构bozh主目录zh的文件目录zzggliggzzli文件(UFD)bo的文件目录wangzzzhangzhangzzwang第五章文件管理315.3文件目录管理二级目录结构基本上克服了一级目录结构的缺点而具有以下优点：(1)提高了检索目录的速度。(2)在不同的用户目录中，可以使用相同的文件名。(3)不同用户还可使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。第五章文件管理325.3文件目录管理3．多级目录结构（1）目录结构多级目录结构RLMNOJKPWRTABCABAAACBABBCACBCC第五章文件管理335.3文件目录管理（2）路径①绝对路径名是指从根目录开始到达所要查找文件的路径名。在Linux中，路径各部分之间用“/”分隔。在MS-DOS中，其分隔符是“＼”，不管使用什么分隔符，如果路径名的第一个字符是分隔符，那么这个路径就是绝对路径名。例如，在Linux系统中，在上图中文件M的绝对路径名是：/B/BA/M。注意：绝对路径名以“/”打头。②相对路径名它常和工作目录(也称当前目录)的概念一起使用。用户可以指定一个目录作为当前的工作目录。这时，所有的路径名，如果不是从根目录开始，则都是相对于工作目录的。在上图中，若当前目录为/A，则文件L的相对路径为AC/L。注意；相对路径名是从当前目录的下级开始书写。第五章文件管理345.3文件目录管理多级目录结构具有以下几个优点：（1）能有效的提高对目录的检索速度。（2）允许文件重名。允许用户在自己的分目录中，使用与其他用户相同的文件名。（3）便于实现文件共享。第五章文件管理355.3文件目录管理5.3.3按名存取用户访问文件时，系统首先根据文件名查找文件目录，找到它的文件控制块或索引接点号；其次，经过合法性检查，从控制块或索引结点中找到该文件所在的物理地址，换算为物理位置。然后，启动磁盘驱动程序，将所需的文件读入内存，进行相应的操作。1．顺序检索法顺序检索法又称为线性检索法，在一级目录结构中，利用用户提供的文件名，用顺序查找的方法直接从文件目录表中找到指名文件的目录项。2．Hash方法系统利用用户提供的文件名，将它变为文件目录的索引值，再利用该索引值到目录中去查找，提高平均检索速度。第五章文件管理365.4文件存储空间的管理5.4.1空闲空间表法第五章文件管理37空闲空间表序号第一个空闲块号空闲块个数物理块号123------21917-----432-------（2，3，4，5）（19，20，21）（17，18）------5.4文件存储空间的管理5.4.2位示图法1．位示图采用位示图的具体做法是：为所要管理的磁盘设置一张位示图。位示图的大小有磁盘的总块数决定，每一个盘块与位示图的一个二进制位对应。如果盘块是空闲的，对应位为“0”；如果盘块已分配出去，对应位为